厂顶溢流式厂房闸门不同开度数值模拟研究

唐晚晴

摘 要：以国内某水电站灯泡贯流式机组厂顶溢流式厂房为对象，研究闸门开启时不同开度下水流经过溢流道时的状态。采用SST k-ω湍流模型和流体体积（Volume of Fluid，VOF）方法，利用UG软件建立溢流道三维模型和水库流体域，使用Fluent软件进行数值模拟对比不同开度泄流下水流经过溢流道的情况，获得了在不同闸门开度下水体经过溢流道时的速度以及形态。结果表明：闸门开启的瞬间水流经过闸门会出现激流现象，并在直线段末端产生涡流，同时溢流道的直线段与反弧段交界处的压力较反弧段的压力更大;随着闸门的开启，厂房侧面压力逐渐减小，末端挑坎处的压力逐渐增大。

关键词：厂顶溢流;开度;数值模拟

中图分类号：TV314 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0094-04

Abstract： Taking the overflow house on the top of bulb tubular unit plant of a hydropower station as the object， the state of water flow through the overflow passage under different opening of the gate was studied. Combining with the SST turbulence model and the VOF method， using UG software flow through the three dimensional model is established and the reservoir fluid field， the use of Fluent software numerical simulation comparison under different opening discharge water through the overflow， obtained under different gate opening speed and form when water through the overflow. The results show that when the gate is opened， there will be a torrent of water flowing through the gate， and eddy current will be generated at the end of the straight section. At the same time， the pressure at the junction of the straight section and the arc section of the overflow passage is higher than that of the arc section. With the opening of the gate， the side pressure of the workshop gradually decreases， and the pressure at the end of the cantilever gradually increases.

Keywords： roof overflow;opening;numerical simulation

厂顶溢流式水电站是我国工程建设中较为新颖的结构形式[1]，其厂房本身作为坝体的一部分承担着静水压力。在厂顶泄流以及机组运行时，厂房结构处于复杂的动荷载作用环境，在闸门开启过程中，水流形态复杂，较难通过公式计算对水电站厂房产生的影响[2]。本文研究了国内某灯泡贯流式机组厂顶溢流式水电站的厂房，使用UG软件建立溢流道和水库水体三维模型，结合SST k-ω湍流模型和流体体积（Volume of Fluid，VOF）方法，对不同闸门开度下的厂顶溢流式厂房溢流道进行计算，分析闸门开启过程中水流经过溢流道的变化情况。

1 数学模型

1.1 SST k-ω湍流模型

湍流是一种空间中不规则和时间上无秩序的三维非稳态流动，在数值模拟中有多种适用范围不同的湍流模型，标准k-ω湍流模型和SST k-ω湍流模型为数值模拟中常用的湍流模型[3]。SST k-ω模型由標准k-ω模型和标准k-[ε]模型都乘以一个混合函数再相加后得到。SST k-ω模型综合了k-ε模型在远场计算中能较好地模拟充分发展的湍流流动的优点和k-ω模型在近壁区计算中能较好地适用于各种压力梯度下的边界层问题的优点。本模型并不是完全光滑的管道模型，溢流道设有直线段、反弧段及末端挑坎，需要考虑溢流道不同位置可能产生的高度差对结果的影响，因此采用SST k-ω模型进行数值模拟研究。

1.2 VOF方法

VOF方法在Fluent中通常用于瞬态计算，其基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数[F]来确定自由面，追踪流体的变化，而非追踪自由液面上质点的运动[4]。VOF方法根据体积比函数[F]来构造和追踪自由面，两个或两个以上的相流体不相互渗透。对于添加到模型中的每个额外的相，将引入一个变量，为域内的每个控制体分配适当的属性和变量。若[F=1]，则说明该单元全部为指定的相流体;若[F=0]，则该单元是空的，为无指定相流体单元;当[0<F<1]时，则该单元包含流体与一个或多个其他流体之间的界面，被称为交界面单元。

2 计算模型

2.1 工程概况

水库正常蓄水位为1 748.00 m，总库容为4 794万 m3，具有日调节性能。电站装机容量为240 MW，多年平均发电量为9.74亿kW·h。工程主要任务是发电。

本工程等别为中型Ⅲ等，主次要建筑物按3级设计，临时建筑物按5级设计，水工建筑物结构安全级别为Ⅱ等。

水电站厂房为厂顶溢流式，布置在主河道上，主厂房上部结构采用混凝土排架柱屋顶方式。泄洪表孔布置于厂房顶板上，共5孔，孔口宽13.00 m，表孔为宽顶堰型。表孔泄槽为等宽矩形断面，设有渥奇段、直线段、反弧段，末端挑坎高程为1 727.86 m，以面流方式与下游衔接。

2.2 计算区域和网格划分

流体域分为水库和溢流道两个部分，水庫的长度设为800 m，溢流道为厂房上部结构的空腔，泄流区域为闸门开启时不同高度空间和溢流道的总和。以六面体单元进行网格划分，溢流道部分网格尺寸为0.5 m，水库部分网格尺寸为20 m，在水库水体与闸门开启后的高度空间相接处进行网格细化，尺寸为0.5 m，整体模型体量较大，如图1所示。不同开度的闸门计算共有0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、5.0 m、6.0 m、10.0 m、13.0 m等8种工况。

2.3 边界条件和初始条件

水库水体的上表面设置静水压力入口，设置为大气压力入口，溢流道出口及上部部分区域设置为大气压力出口，溢流道的壁面设置为无滑移边界条件[5]。流体域的初始条件如下：以闸门接触水库水体的表面为分界，整个水库区域设置水体体积分数为1，表示该区域充满水;闸门开启后的空间及溢流道整体设置水体体积分数为0，表示该区域充满空气。因需要观察水流在经过溢流道时的具体形态，将迭代步长设定为0.001 s，最后当计算时水流速度趋于稳定时停止计算[6-8]。

3 计算结果分析

3.1 不同开度下流速分析

闸门不同开度下，溢流道动水速度分布见图2。由图2可看出，在闸门开启高度较小时，易在闸门后的空间以及直流段与反弧段相接处产生涡流，闸门开度为1 m时，在直线段末端水流的速度高达642 m/s。随着闸门的不断开启，当闸门开度为6 m时，溢流道内整体的水流流速开始趋于稳态，溢流道内不再形成明显的涡流，最大流速降低为499 m/s，位于出口处的最底端。闸门完全打开后，溢流道内的水流达到稳态，最大流速为513 m/s，低于闸门刚开启时的最大流速，高于闸门开启一半高度时的最大流速，最大流速同样位于出口处的底端，这也是因为溢流道内末端挑坎的作用。

3.2 不同开度下压力分析

在不同闸门开度下溢流道的压力见表1。在闸门开启的瞬间，水库水体急速涌入溢流道内，在闸门后产生较大的压力，且在刚开启时的状态下水流速度相当大，容易引起闸门的激流振动。闸门刚开启时水流进入溢流道的空间有限，水流在进入溢流道后也只能充满一定空间，故最大侧面压力也处在直线段与反弧段交接处;随着闸门开度的增大，溢流道内的压力相应减小，水流逐渐充满整个溢流道，最大侧面压力逐渐由直线段与反弧段交接处过渡到末端挑坎处，最大的出口压力始终位于出口底端，这也与出口处的最大流速相对应。

4 结语

基于UG软件建立了水库和溢流道三维有限元模型，采用SST k-ω湍流模型和VOF方法，通过Fluent软件计算分析了闸门不同开度下水流经过溢流道时的状态。结果表明，在闸门瞬间开启时水流的流速最大，且在溢流道内形成了涡流，闸门后以及直线段与反弧段交接处的侧面压力最大;随着闸门开度的增大，水流对溢流道侧面的压力在闸门开启过程中增大，最大侧面压力区域发生了变化，且最大侧面压力值在闸门完全开启后降低，流速也稳定在一定数值，最大出口压力始终位于出口底端。

参考文献：

[1]葛文浩，王海军.厂顶溢流式厂房水流脉动数值模拟研究[J].水资源与水工程学报，2013（1）：112-114.

[2]曹伟，张运良，马震岳，等.厂顶溢流式水电站厂房振动分析[J].水利学报，2007（9）：1090-1095.

[3]邵杰，李晓花，郭振江等.k-ω湍流模型在流动阻力数值模拟中的应用研究[J].青岛大学学报（工程技术版），2016（1）：120-124.

[4]张健，方杰，范波芹.VOF方法理论与应用综述[J].水利水电科技进展，2005（2）：67-70.

[5]唐克东，王旭声，孙留颖.不同开度时弧形闸门流固耦合数值模拟[J].人民黄河，2019（2）：135-137.

[6]刘竹丽，陈赟，伊元忠.不同开度下平面钢闸门流固耦合数值模拟研究[J].人民黄河，2020（11）：79-83.

[7]宋伟，何士华，沈春颖.上下游有压过闸水流数值模拟[J].中国农村水利水电，2019（12）：118-123.

[8]赵强.平板闸门测流及流场研究[D].兰州：兰州理工大学，2020：28.